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Introduzione

Gli esseri umani sono in grado di produrre una varietà di posture e movimenti e hanno la capacità di muoversi da un luogo all’altro, cioè la funzione locomotoria.cioè la funzione di locomozione. L’abilitatore di queste funzioni è il nostro sistema muscolo-scheletrico che sostiene i carichi del corpo e i movimenti dei segmenti del corpo. Questa funzione è incorporata nei principi della biomeccanica umana. La biomeccanica ha la sua principale applicazione nelle aree di miglioramento della performance del movimento, di riduzione della compromissione del movimento o di intervento nelle lesioni o condizioni legate al movimento. Nella pratica della fisioterapia, i concetti della biomeccanica come i principi del range di movimento, l’insufficienza attiva e passiva, la regola concavo-convessa, la legge delle forze, il movimento e le macchine sono applicati negli esercizi terapeutici. Inoltre, la formazione ergonomica e la progettazione di moderni dispositivi ortopedici come gli ausili avanzati per la deambulazione si basano sull’applicazione del concetto di biomeccanica. Pertanto, la biomeccanica è considerata una delle conoscenze di base nella pratica della fisioterapia per fornire una cura ottimale per diverse lesioni o condizioni legate al movimento. Quindi, inizierò introducendo alcuni di questi concetti di biomeccanica.

Come risolviamo i problemi di biomeccanica?

Sapendo che il principio biomeccanico ha il suo ruolo principale nella pratica della fisioterapia, è importante per noi sapere come risolvere i problemi di biomeccanica. Ci sono due modi di affrontare i problemi biomeccanici, che sono l’analisi quantitativa e quella qualitativa. Nell’analisi quantitativa, dobbiamo memorizzare le variabili biomeccaniche del problema desiderato da risolvere e fare un’analisi numerica delle variabili generate. Knudson e Morrison descrivono l’analisi qualitativa della biomeccanica come l’utilizzo dell’osservazione sistematica e della valutazione introspettiva della qualità dei movimenti umani allo scopo di fornire l’intervento più appropriato per migliorare le prestazioni”

Terminologia di base della biomeccanica

La meccanica è una branca della scienza che si occupa delle forze e degli effetti prodotti da queste forze. L’applicazione di questa scienza al sistema biologico è chiamata biomeccanica. La biomeccanica umana si concentra su come le forze agiscono sul sistema muscolo-scheletrico e come il tessuto del corpo risponde a queste forze. Usando le forze coinvolte nella produzione del movimento e della postura, la biomeccanica può essere discussa nel contesto della biomeccanica esterna o interna.

• La biomeccanica esterna descrive le forze esterne sul segmento del corpo e il loro effetto sul movimento del corpo,
• La biomeccanica interna sono le forze generate dai tessuti del corpo e il loro effetto sul movimento. “Questo include le forze muscolari e le forze nelle ossa e nelle articolazioni che risultano dalla trasmissione delle forze muscolari attraverso lo scheletro”.

Forze esterne (biomeccanica esterna)

Dominio della meccanica

Ci sono due domini della meccanica (biomeccanica): statico e dinamico.

• La statica è un ramo della meccanica che analizza i corpi a riposo o in movimento uniforme
• La dinamica si occupa dello studio delle condizioni in cui un oggetto si muove. Il concetto di dinamica può essere ulteriormente discusso sotto cinematica e cinetica.
  • Il concetto di cinetica si occupa del movimento del corpo e della forza che lo fa muovere.
  • La cinematica descrive il moto del corpo senza considerare le forze che producono quel moto. Nella cinematica, ci sono cinque variabili di interesse: il tipo di movimento o spostamento, la posizione, la direzione, la grandezza e la velocità del movimento o dello spostamento.

Variabili cinematiche

Tipo di movimento

Il movimento umano è descritto come un movimento generale, cioè una combinazione complessa di componenti lineari e angolari del movimento. E la maggior parte delle volte, il moto umano è analizzato come moto lineare o angolare, poiché questi due tipi di moto sono fondamentalmente considerati moto “puro”.

• Il moto lineare è anche conosciuto come moto traslatorio o traslazionale. Nel moto lineare, tutte le parti del corpo si muovono nella stessa direzione e alla stessa velocità e se questo moto avviene lungo una linea retta si parla di moto lineare. Il moto rettilineo è quando il moto lineare avviene lungo una linea retta, il moto curvilineo è quando il moto avviene lungo un percorso curvo.
• Il moto angolare è descritto come una rotazione che avviene intorno a una linea immaginaria centrale nota come asse di rotazione.

Il movimento lineare puro negli esseri umani, come nel camminare, correre e nuotare, si verifica raramente perché l’orientamento dei segmenti del corpo cambia continuamente. In attività come il pattinaggio e il salto con gli sci ci possono essere brevi momenti di puro movimento lineare.

Negli esseri umani, i movimenti del corpo intero sono descritti come movimento generale, come spiegato nei seguenti esempi. Quando una persona cammina, i movimenti della testa e del tronco sono abbastanza lineari, ma i movimenti delle gambe e delle braccia sono lineari e angolari contemporaneamente mentre il corpo della persona si sposta in avanti. Lo stesso è vero nel ciclismo, la testa, il tronco e le braccia si muovono in modo abbastanza lineare, ma le gambe si muovono simultaneamente in un movimento lineare e angolare. Il movimento di un corpo multisegmentato, come il corpo umano, che comporta un movimento lineare e angolare simultaneo dei segmenti, viene solitamente definito movimento generale.

Magnitudine del movimento

Per il movimento angolare, la sua grandezza può essere misurata in radianti o gradi con l’uso di un goniometro. Mentre il movimento lineare di un segmento è misurato dalla distanza lineare che l’oggetto ha coperto e questo può essere valutato con strumenti di valutazione del cammino come il test del cammino di 6 minuti.

Rate of motion

La velocità o la velocità è usata per misurare il tasso di movimento e il cambiamento della velocità è l’accelerazione.

Localizzazione del movimento articolare nello spazio

Un sistema di riferimento comune per localizzare il movimento articolare è quello dei piani e degli assi anatomici. Un piano di movimento può essere descritto come una dimensione particolare del movimento che attraversa una superficie piana immaginaria del corpo e un asse è una linea immaginaria intorno alla quale ruota il segmento del corpo. Ci sono tre piani di movimento nel corpo, cioè i piani sagittale, frontale e trasversale.

• Un piano sagittale ha i suoi assi come mediale e mediolaterale ed è anche conosciuto come asse trasversale
• I piani frontale (coronale) e trasversale hanno i loro assi rispettivamente anteroposteriore e longitudinale.

Direzione del movimento

La direzione del movimento può essere descritta in termini di come il movimento avviene lungo il piano e l’asse. Quando un movimento riduce l’angolo articolare nel piano sagittale si chiama flessione e il movimento di “estensione” aumenta l’angolo articolare. Altre comuni direzioni di movimento nel piano sagittale sono la dorsiflessione e la flessione plantare. Il movimento agli estremi del range di movimento è spesso chiamato “iper”, come nel caso dell’iperestensione, e anche questo avviene nel piano sagittale. Il movimento di un segmento lontano dalla linea mediana nel piano frontale è chiamato “abduzione”, mentre il movimento indietro verso la linea mediana è chiamato “adduzione”. Un’altra direzione di movimento comune in questo piano include l’eversione e l’inversione. I movimenti comuni lungo il piano trasversale sono la rotazione interna e la rotazione esterna, anche la pronazione e la supinazione sono movimenti comuni lungo il piano trasversale. Ci sono altri termini direzionali per aiutare a descrivere la posizione del segmento del corpo rispetto alla posizione anatomica, questo include il superiore e l’inferiore, che descrive la posizione del corpo verso la testa e i piedi, rispettivamente. Anche anteriore e posteriore possono essere usati per descrivere oggetti relativi al corpo come l’orientamento anteriore o posteriore al corpo, rispettivamente. Le parti o il movimento verso la linea mediana del corpo è chiamato mediale, mentre il movimento o la posizione verso i lati del corpo è laterale.

Catena cinematica

La catena cinematica è anche chiamata catena cinetica in letteratura. In una catena cinematica aperta, il grado di libertà descrive il numero di direzioni che un’articolazione permette ad un segmento del corpo di muoversi ed è il numero di coordinate indipendenti che viene utilizzato per specificare con precisione la posizione dell’oggetto nello spazio. La combinazione dei gradi di libertà forma la catena cinematica e la catena cinematica può essere aperta o chiusa. un giunto può muoversi indipendentemente dagli altri mentre nella catena cinematica chiusa un’estremità della catena rimane fissa. Levangie e Norkin, hanno chiarito che il concetto di posizione del parco aperto e chiuso aiuta a descrivere i movimenti che avvengono in condizioni di carico e non carico ed è importante prendere nota di questi quando l’esercizio mira a un’articolazione singola o multipla.

Un ordine di catena cinetica naturale coinvolge nell’estremità superiore e inferiore un compito biomeccanico integrato che quando è compromesso si traduce in un output biomeccanico disfunzionale che porta a dolore e/o lesioni. Per esempio nella spalla, quando esistono deficit nei collegamenti precedenti, possono influenzare negativamente la spalla. Pertanto, nella gestione della spalla, si dovrebbe tentare di ripristinare tutti i deficit della catena cinetica e le sessioni terapeutiche dovrebbero seguire esercizi integrati su propriocezione, flessibilità, forza e resistenza con l’ordine della catena cinetica.

Concetto cinetico nell’analisi del movimento

Mentre il concetto cinematico descrive un segmento del movimento di un corpo, il concetto di cinetica ci dà un’idea delle forze associate a quel movimento. E questo ci condurrà nel concetto cinetico dell’analisi del movimento, e inizierò definendo cos’è la forza nella biomeccanica. La forza è un modo semplice per rappresentare il carico nella biomeccanica e può essere definita come un’azione di un oggetto verso un altro. La forza può essere esterna o interna.

Le forze esterne sono sia la trazione che la spinta sul corpo che avviene da fonti esterne al corpo e le forze interne sono quelle forze che agiscono sulle strutture del corpo e sono generate dal tessuto del corpo. La forza può cambiare la forma di un oggetto e può cambiare lo stato di moto dell’oggetto. La forza è anche caratterizzata da grandezza, direzione e punto di applicazione. Tutti questi fattori determinano l’effetto della forza su un oggetto. Ci sono più forze che agiscono su un oggetto ed è possibile risolvere queste forze in una singola forza “risultante” che ha lo stesso effetto di tutte le altre forze che agiscono insieme. Il processo di combinare queste due o più forze in un’unica forza risultante è noto come composizione di forze. Avendo capito cos’è la forza, è essenziale esaminare alcune delle leggi che guidano l’applicazione della forza.

Levangie e Norkin, hanno ribadito che ci sono tre regole primarie delle forze: 1. Una forza che agisce su un segmento deve provenire da qualcosa, 2. qualsiasi cosa che entra in contatto con un segmento deve creare una forza su quel segmento e 3. la gravità è considerata avere effetto di forza su tutti gli oggetti.

Legge del moto di Newton

La legge del moto di Newton descrive l’effetto di forza e movimento. La prima legge del moto di Newton, conosciuta anche come legge d’inerzia (l’inerzia è la resistenza del corpo a cambiare il suo stato di moto), afferma che un oggetto rimarrà a riposo o in moto uniforme a meno che una forza netta sbilanciata agisca su di esso. Il concetto della legge d’inerzia di Newton mostra che maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la forza per muoverlo. Per esempio, per spostare un uomo endomorfo (qualcuno con un’alta percentuale di grasso corporeo) su una sedia a rotelle, sarà necessaria una maggiore quantità di forza rispetto a quella necessaria per spostare un uomo ectomorfo (snello). Un’altra area in cui si applica la prima legge del moto è l’analisi statica. L’analisi statica è un metodo ingegneristico per l’analisi delle forze e dei momenti prodotti quando gli oggetti interagiscono. Questo concetto è applicato nella biomeccanica per la stima delle forze sconosciute di reazione muscolare e articolare nel sistema muscolo-scheletrico.

La seconda legge di Newton afferma che una forza netta agirà su un oggetto per cambiare la sua quantità di moto facendo accelerare o decelerare l’oggetto. La terza legge di Newton afferma che per ogni azione, c’è una reazione uguale e contraria. Un’applicazione di questo concetto è che un atleta sarà in grado di correre più velocemente su una superficie di cemento rispetto a una superficie sabbiosa a causa delle forze di reazione al suolo opposte che sono necessarie per spingere il corpo.

Concetto cinetico nell’analisi del movimento

Mentre il concetto cinematico descrive un segmento del movimento di un corpo, il concetto di cinetica ci dà un’idea delle forze associate con quel movimento. Quando si discute il concetto cinetico dell’analisi del movimento, dobbiamo definire la forza nella biomeccanica. La forza è un modo semplice per rappresentare il carico nella biomeccanica e può essere definita come l’azione di un oggetto su un altro. La forza può essere esterna o interna.

• Le forze esterne sono forze che tirano o spingono il corpo e che provengono da fonti esterne al corpo
• Le forze interne sono quelle forze che agiscono sulle strutture del corpo e sono generate dai tessuti del corpo.

La forza può cambiare la forma di un oggetto e può cambiare lo stato di moto dell’oggetto. La forza è anche caratterizzata da grandezza, direzione e punto di applicazione. Tutti questi fattori determinano l’effetto della forza su un oggetto. Ci sono più forze che agiscono su un oggetto ed è possibile risolvere queste forze in una singola forza “risultante” che ha lo stesso effetto di tutte le altre forze che agiscono insieme. Il processo di combinare queste due o più forze in un’unica forza risultante è noto come composizione di forze. Avendo capito cos’è la forza, è essenziale esaminare alcune delle leggi che guidano l’applicazione della forza.

Levangie e Norkin, hanno ribadito che ci sono tre regole primarie delle forze:

1. Una forza che agisce su un segmento deve provenire da qualcosa
2. Qualsiasi cosa che contatta un segmento deve creare una forza su quel segmento
3. La gravità è considerata avere un effetto di forza su tutti gli oggetti.

Il principio della comprensione della biomeccanica del movimento è una comprensione approfondita della forza, delle leggi del moto di Newton, del lavoro e dell’energia.

La legge del moto di Newton

La legge del moto di Newton descrive l’effetto della forza e del moto.

La prima legge del moto di Newton, conosciuta anche come legge d’inerzia (l’inerzia è la resistenza del corpo a cambiare il suo stato di moto), afferma che un oggetto rimarrà a riposo o in moto uniforme a meno che una forza netta sbilanciata agisca su di esso. Il concetto della legge d’inerzia di Newton mostra che maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la forza per spostarlo. Ciò significa che è necessario un cambiamento nella forza risultante per creare un cambiamento nel movimento. Esempi:

• Per spostare un uomo endomorfo (qualcuno con un’alta percentuale di grasso corporeo) su una sedia a rotelle sarà necessaria una maggiore quantità di forza che per spostare un uomo ectomorfo (snello).
• Quando un calciatore calcia il pallone, cambia la forza risultante sulla palla, per farla muovere.
• Un passeggero in un’auto si muove alla stessa velocità con cui si muove l’auto e quando l’auto frena improvvisamente, il passeggero, se non indossa la cintura di sicurezza, continuerà a muoversi in avanti alla stessa velocità di prima che l’auto frenasse.
• Per sollevare un oggetto pesante, la persona che solleva deve produrre una forza verso l’alto maggiore del peso dell’oggetto, altrimenti, non si muoverà.

Un’altra area in cui viene applicata la prima legge del moto è l’analisi statica. L’analisi statica è un metodo ingegneristico per l’analisi delle forze e dei momenti prodotti quando gli oggetti interagiscono. Questo concetto è applicato nella biomeccanica per la stima delle forze sconosciute di reazione muscolare e articolare nel sistema muscolo-scheletrico.

La seconda legge del moto di Newton si riferisce all’impulso di una forza. Questa legge afferma che una forza netta agirà su un oggetto per cambiare la sua quantità di moto facendo accelerare o decelerare l’oggetto. È anche chiamato il principio impulso-momento e ha una serie di applicazioni nello sport. La performance sportiva si occupa di aumentare e diminuire la velocità di movimento del corpo umano o dell’attrezzatura sportiva. Questo principio porta al miglioramento della tecnica sportiva su come la quantità di forza può essere applicata più a lungo per esempio nel lancio del peso.

La terza legge di Newton afferma che per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Un’applicazione di questo concetto è che un atleta sarà in grado di correre più velocemente su una superficie di cemento rispetto a una superficie sabbiosa a causa delle forze opposte di reazione del terreno che sono necessarie per spingere il corpo.

Forza di contatto

La forza di contatto è un altro tipo di forza. Si verifica quando due oggetti sono in contatto tra loro. Queste forze tra loro possono essere risolte in reazioni di forza normale e attrito.

• Forza normale – la forza è perpendicolare alla superficie in cui due oggetti stanno interagendo. Guarda il video qui sotto per saperne di più.
• Frizione – la forza che agisce su superfici parallele.

La conoscenza delle forze di contatto, per esempio, è essenziale nella progettazione di scarpe da ginnastica o da allenamento, introducendo una forza di attrito per migliorare le forze di reazione al suolo.

Momento della forza o coppia

Un’area importante della biomeccanica è il momento della forza o coppia, che è la forza che agisce su un oggetto che può causarne la rotazione. Il momento di forza è un prodotto di forza e distanza, e si riferisce anche alla forza di rotazione di un segmento. L’importanza di questo concetto è che il momento di forza è importante perché il muscolo funzioni efficacemente nel mantenere la portanza del peso. Per esempio, nel ginocchio, la rotula crea un momento efficace con il quadricipite intorno al centro di rotazione del ginocchio, in modo che l’estensione del ginocchio sia mantenuta abbastanza per portare il peso.

Macchina semplice

Avendo considerato alcune delle forze esterne in isolamento, è importante vedere come queste forze si combinano insieme per una funzione particolare nella forma di una macchina. Una macchina converte l’energia da una forma all’altra, e questa energia è la capacità di fare lavoro. Il lavoro ha luogo quando una forza muove un oggetto. In meccanica, le macchine convertono l’energia da una forma all’altra eseguendo lavoro, cioè generando movimento. Il sistema muscolo-scheletrico è un insieme di macchine semplici che lavorano insieme per sostenere carichi e generare movimento.

Ci sono solo tre macchine semplici nel sistema muscoloscheletrico umano, la leva, la ruota e l’asse e la puleggia. Questa macchina semplice permette tre funzioni, tra cui l’amplificazione della forza e del movimento e un cambiamento nella direzione della forza applicata. Tuttavia, la maggior parte di queste macchine semplici nel sistema muscolo-scheletrico, sono progettate per amplificare il movimento piuttosto che la forza.

Sistema della leva

Quando i muscoli sviluppano tensione, tirano sull’osso per sostenere o spostare la resistenza del carico applicato a un segmento del corpo. I muscoli e l’osso funzionano meccanicamente come una leva.

• Una leva è un qualsiasi segmento rigido che ruota intorno a un fulcro.
• Un fulcro è un punto di supporto, o asse, attorno al quale ruota una leva.
• Un sistema di leva esiste ogni volta che due forze sono applicate in modo da produrre momenti opposti.
• La forza che produce il momento risultante è chiamata forza di sforzo (EF).
• L’altra forza che sta creando un momento opposto, è conosciuta come forza di resistenza (RF).

In base alla disposizione del carico, lo sforzo e la leva fulcro possono essere classificati in prima e terza classe. La leva anatomica comune nel corpo umano è di terza classe e la ragione è che l’inserzione del muscolo è di solito vicino all’articolazione dell’azione, quindi lo sforzo è di solito tra il fulcro e la resistenza, che è una leva di terza classe. Questo design aiuta il corpo a guadagnare movimento e velocità e quindi il sistema muscolo-scheletrico umano è progettato per la velocità e la gamma di movimento a scapito della forza.

Ruota & asse

Nel sistema muscoloscheletrico, le disposizioni di ruota e asse forniscono un’amplificazione sia della forza che del movimento. Un esempio di questo è la rotazione mediale e laterale dell’articolazione della spalla. Il concetto è anche applicato nel design della sedia a rotelle e nella sua propulsione manuale

Pulley

La puleggia anatomica è una forma modificata di ruota e asse. La funzione principale della puleggia è quella di reindirizzare una forza per facilitare un compito. Il “compito” nel movimento umano è quello di ruotare un segmento del corpo. Le pulegge anatomiche rendono questo compito più facile deviando la linea d’azione del muscolo dall’asse dell’articolazione, aumentando così il vantaggio meccanico della forza muscolare. Il vantaggio meccanico (MA) è una misura dell’efficienza meccanica della leva ed è una funzione dell’efficacia della forza di sforzo rispetto alla forza di resistenza.

Ci sono quattro classi di pulegge anatomiche, dalla classe I alla classe IV, che possono essere di interesse per i fisioterapisti.

• La puleggia di classe 1 è da supporto esterno. Migliora l’azione muscolare che proviene da un supporto esterno che agisce come una puleggia. Un esempio di questo è la rotula che agisce come una puleggia per migliorare la funzione del quadricipite.
• La puleggia di II classe è formata da osso, cartilagine e tendine. Un esempio di questo è quando un osso agisce come una puleggia, questo è illustrato dal malleolo laterale del perone che agisce come una puleggia per il muscolo peroneus longus.
• La puleggia di classe III è quando l’articolazione agisce come una puleggia. Un esempio sono gli epicondili del femore che danno al tendine del gracile un angolo di inserzione favorevole quando il tendine si inserisce sulla tibia.
• La classe IV è quando i muscoli agiscono come una puleggia. Un esempio è il muscolo bicipite, che aumenta di dimensione all’aumentare del suo angolo di inserzione. L’applicazione delle carrucole in fisioterapia include l’esercizio della carrucola per migliorare la gamma di movimento e la coordinazione, soprattutto nelle condizioni di artrite della spalla.

Conclusione

I concetti cinetici e cinematici sono importanti per comprendere il movimento umano e l’implicazione della forza sui segmenti del corpo durante il movimento. Nella progettazione di dispositivi e attrezzature di supporto e adattivi c’è bisogno di considerare il concetto biomeccanico di forza, attrito e macchine per il dispositivo per aiutare o migliorare il movimento umano.

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